基于FPGA的多通道符合计数器

摘要

符合测量在量子光学实验中起着重要作用。它可以用于纠缠光子对的判定，单光子计数等实验。用于符合事件测量的电子系统称为符合计数系统。通常对符合事件的测量受到光电探测器和符合计数系统性能的限制。得益于半导体技术的飞速发展，光电探测器的性能得到了极大提高。为了能让探测器的性能得到充份利用，需要设计新的更适用于量子光学实验的符合计数系统。简单的符合计数可以用乘法器或与门等分立元件来实现，然而当符合测量涉及三路或更多通道的测量时，使用分立元件的符合计数系统将变得复杂，尤其是分立元件会给信号带来额外的延迟时间，可能会影响最终的符合计数结果，无法满足实验要求。市场上现有的多通道符合计数器通常基于专用集成电路(ASIC)和时间-幅度转换器(Time-Amplitude Converter)，因而价格昂贵，同时传统符合计数器设计多用于核物理或生物学研究，如荧光寿命成像，并不是专为量子光学实验而设计。为了解决这一问题，我们实验室制作了基于FPGA的多通道符合计数器，本文介绍了基于现场可编程门阵列(FPGA)的多通道符合计数系统的设计原理及其处理程序和调试过程。主要内容有以下两部份:
　　第一:介绍基于FPGA的多通道符合计数系统的设计思想与结构。符合计数器的设计难点在于精确设置符合时间窗口，与传统符合计数器不同，基于FPGA的多通道符合计数器将一个可以精确控制的延迟脉冲用作开关信号，从而控制符合时间窗口。这一过程由可编程延迟线来实现;符合计数过程在FPGA内实现，并根据发生符合的信号所处的通道将结果存储在存储器不同位置;以太网-串口转换模块可以将来自用户主机的命令转换为串口信号，从而实现用户对整个符合计数系统工作过程的控制，同时它还负责将FPGA内存储的符合计数结果转换为以太网信号传送至用户主机。FPGA是多通道符合计数系统的核心元件，它根据从以太网-串口信号转换模块得到的命令完成符合计数，符合计数结果存储在FPGA自带的存储器内，本文将介绍符合计数结果在FPGA内的存储格式与被测信号的频率之间关系，以及以太网-串口信号对FPGA内符合计数过程的控制。
　　第二:我们制作了适合我们实验室需要的11通道符合计数器。同时还为11通道符合计数器编写了使用UDP协议的处理程序，这一程序还可以用于校准11通道符合计数器的符合时间窗口。最后我们将两台单光子与符合计数器相连，观察它们在不同强度背景光下的符合计数，实验结果表明我们制作的11通道符合计数器工作正常，准确完成了符合计数过程，可以满足实验需要。
　　基于FPGA的多通道符合计数器结构紧凑，成本低，与现有多通道符合计数系统相比，它拥有更多测量通道，同时FPGA可以多次重复配置，方便用户修改自己的设计，与传统的符合计数器相比具有更大的灵活性，可以更好地满足量子光学实验的要求。

目录

摘要

第一章 前言

第二章 多通道符合计数器原理

2．1 符合测量基本概念

2．2 多通道符合计数器工作原理

2．3 符合时间窗口的设置

2．4 多通道符合计数器中的FPGA内部结构

2．5 FPGA和以太网—串口转换模块简介

2．5．1 FPGA简介

2．5．2 以太网—串口转化模块简介

第三章 11通道符合计数器及其测试

3．1 11通道符合计数器简介

3．2 可编程延迟线DS1023

3．3 11通道符合计数器中的FPGA

3．4 11通道符合计数器中的以太网—串口信号转化模块

3．5 11通道符合计数器的处理程序及其测试

总结与展望

参考文献

硕士研究生期间完成论文

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